Wasserstoffherstellung mit Licht in Rostock erforscht

Die Natur hat das Patent für Photolyse: Grüne Pflanzen speichern Sonnenenergie, indem sie – mittels Licht und Chloroplasten – Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Wenn Menschen den Prozess nachahmen könnten, wäre es möglich, kostengünstig und klimafreundlich Wasserstoffgas (H2) zu erzeugen. Diese „Photolyse“ untersuchte Jacob Schneidewind vom Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (Likat) in seiner Dissertation.

Vor zwölf Jahren berichtete ein Team vom Weizmann-Institut in Israel im Science-Magazin von einer chemischen Reaktion, bei der ein neuartiger Katalysator mithilfe von Licht Wasser spaltete. Jacob Schneidewind sagt: „Klar war nur, dass noch niemand diese Art der Wasserspaltung gesehen und beschrieben hatte. Sie unterscheidet sich auch komplett von der natürlichen Photosynthese.“ Drei Jahre studierte er in seiner Promotion am Likat die Original-Reaktion der israelischen Kollegen mittels Wasser, einer Lichtquelle und dem Katalysator aus Ruthenium.

Tests mit verschiedenen Lichtquellen

Ziel war es, die Abläufe auf molekularer Ebene aufzuklären und die Prozesse am Rechner zu simulieren. Schneidewind erläutert, dass die Energie für die Aufspaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff von Photonen aus dem Licht stammt. „Um genügend Photonen zu gewinnen, benutzen Pflanzen mehrere absorbierende Zentren“, sagt er. Im Labor am Weizmann-Institut erfolgte die Photolyse aber nicht an mehreren absorbierenden Zentren, sondern nur an einem einzigen Punkt. Die Energie eines einzelnen Photons würde aber nicht ausreichen.

Als Doktorand arbeitete sich Jacob Schneidewind in die Quantenchemie und Kinetik chemischer Reaktionen ein, mit deren Hilfe er Reaktionen am Rechner modellieren konnte. Im Labor baute er das israelische Experiment mit wechselnden Lichtquellen nach, vom kurzwelligen, energiereichen blauen Licht bis zum energieschwachen Rotbereich. Kollegen an der Universität Rostock übernahmen die Analysen mittels Hochgeschwindigkeitsspektroskopie.

Ruthenium als Katalysator

„Es hat uns alle überrascht zu sehen, was da im System geschieht“, sagt Jacob Schneidewind. Tatsächlich komme der photokatalytische Weg zum Wasserstoff mit zwei Photonen aus statt mit üblicherweise vier wie in der Natur. Und sowohl die Absorption der Photonen als auch die eigentliche Spaltungsreaktion laufen an einem einzigen Zentrum ab, das aus einem Paar von Ruthenium-Atomen besteht. Somit lasse sich eine größere Bandbreite des Lichts nutzen, was die Effizienz deutlich verbessern kann.

Technisch folgt daraus eine einfache Versuchsanordnung. „Man könnte durchsichtige Plastikschläuche mit einer Suspension oder Lösung aus Wasser und Katalysator füllen und großflächig der Sonne aussetzen“, sagt Schneidewind. Dieser Ansatz wäre mit dem richtigen Katalysator drei- bis viermal kostengünstiger als die Kombination von Solarzellen und Elektrolyseur. Einen geeigneten Katalysator dafür plant Schneidewind ab Herbst mit einer eigenen Nachwuchsgruppe an der RWTH Aachen zu entwickeln, wohin er nach seiner Promotion gewechselt ist.

Nachhaltige Energiekonzepte gehen davon aus, künftig grünen Wasserstoff in sonnenreichen Regionen zu produzieren und nach Europa zu importieren. Das Wissen aus dem Likat soll helfen, entsprechende Technologien zu entwickeln.
 
Die Dissertation Jacob Schneidewind et al.; "Two-photon, visible light water splitting at a molecular ruthenium complex" steht in englischer Sprache im Internet zur Verfügung.